지구과학 — 1강: 지구의 구조·판구조론·지진과 화산

지구 내부 구조

지구 내부 층서:
→ 지각 (Crust):
  대륙 지각: 두께 20~70km·화강암질 (규소·알루미늄 풍부)
  해양 지각: 두께 5~10km·현무암질 (마그네슘·철 풍부)
  모호로비치치 불연속면 (Moho):
  지각과 맨틀 경계·P파 속도 급증
→ 맨틀 (Mantle):
  상부 맨틀: 지각 아래~410km·감람암 조성
  전이대: 410~660km·고압 광물 상변이
  하부 맨틀: 660~2,900km·페로브스카이트
  구텐베르크 불연속면: 맨틀-외핵 경계
→ 외핵 (Outer Core): 2,900~5,100km
  액체 상태 철-니켈 합금
  지구 자기장 발생원: 다이나모 메커니즘
→ 내핵 (Inner Core): 5,100km~6,371km
  고체 상태 철-니켈 (고압으로 액화 방지)
  레만 불연속면: 외핵-내핵 경계

지구물리학적 탐사:
→ 지진파 이용:
  P파 (종파): 고체·액체·기체 통과
  S파 (횡파): 고체만 통과 (외핵 액체 증거)
  P파 속도 > S파 속도
  그림자 대: P파 103~143도·S파 103도 이상 도달 안 함
→ 중력 탐사: 밀도 이상대 탐지
→ 지자기 탐사: 지각 철 광물 자화 분포
→ 지열 흐름 (Heat Flow):
  해양 지각 > 대륙 지각
  열점 (Hot Spot): 맨틀 플룸에서 높은 지열

지구 내부 온도·압력:
→ 지온 경사 (Geothermal Gradient):
  대륙 지각: 약 25~30도/km
  외핵-내핵 경계: 약 5,000도
→ 압력: 내핵 중심 약 360만 기압
→ 내핵 회전: 지구 자전보다 약간 빠름 (관측 논쟁)

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판구조론

대륙 이동설 (Continental Drift):
→ 베게너 (Alfred Wegener, 1912):
  초대륙 판게아 (Pangaea): 약 2억 5천만 년 전
  증거:
  1. 해안선 적합성 (대서양 양안)
  2. 화석 분포: 메소사우루스·글로소프테리스
  3. 빙하 흔적: 남아메리카·아프리카·인도·호주
  4. 지층·암석 연속성
→ 당시 비판: 이동 메커니즘 불명확

해저 확장설 (Seafloor Spreading):
→ 헤스 (Harry Hess, 1960년대):
  중앙해령에서 새 해저 생성·해구에서 섭입
→ 지자기 역전 줄무늬: 중앙해령 대칭 배열
  지구 자기장 주기적 역전 기록
→ 해저 퇴적물: 중앙해령에서 멀수록 두껍고 오래됨
→ 오래된 해저: 육지보다 젊음 (최대 약 2억 년)

판 경계 유형:
→ 발산 경계 (Divergent):
  두 판이 멀어짐·마그마 상승·새 지각 생성
  중앙해령: 대서양 중앙 해령
  열곡 (Rift Valley): 아프리카 동부 대열곡대
  지진: 얕은 진원·화산 활동
→ 수렴 경계 (Convergent):
  해양-해양: 해구·섬호·화산
    일본 해구·마리아나 해구
  해양-대륙: 해구·안데스형 화산·습곡산맥
    칠레 해구·안데스산맥
  대륙-대륙: 습곡산맥·지진 (화산 없음)
    히말라야산맥·알프스
→ 보존 경계 / 변환 단층 (Transform):
  판이 수평으로 엇갈려 이동
  산안드레아스 단층·뉴질랜드 알파인 단층
  천발 지진·단층 지형

판 구동력:
→ 맨틀 대류: 열대류로 판 이동
→ 능동 이동: 해령 밀어내기 (Ridge Push)
→ 섭입판 끌기 (Slab Pull): 무거운 냉각 판이 가라앉으며 당김

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지진

지진 발생 메커니즘:
→ 탄성 반발 이론 (Elastic Rebound Theory):
  단층면 응력 축적→임계점 → 급격한 미끄럼
  진원 (Hypocenter): 단층 파열 시작점
  진앙 (Epicenter): 진원 바로 위 지표면 점
→ 단층 유형:
  정단층: 장력·판 발산 환경
  역단층: 압축력·판 수렴 환경
  주향이동단층: 수평 이동·변환 경계

지진파:
→ 실체파 (Body Waves):
  P파 (Primary): 종파·가장 빠름·고체·액체·기체
  S파 (Secondary): 횡파·P파보다 느림·고체만
→ 표면파 (Surface Waves):
  러브파 (Love Wave): 수평 전단·빠름
  레일리파 (Rayleigh Wave): 타원 운동·느림
  진동 피해 주범: 건물 공진 유발

지진의 규모와 진도:
→ 규모 (Magnitude):
  리히터 규모 (ML): 지진계 최대 진폭 로그 척도
  모멘트 규모 (Mw): 단층 면적×변위×강성률
  현재 표준: Mw 사용
  1 단위 차이: 에너지 약 32배 차이
→ 진도 (Intensity):
  특정 지점의 진동 강도·피해 정도
  수정 메르칼리 진도 (MMI): 1~12단계
  같은 지진도 거리·지반에 따라 진도 다름

지진 피해와 대응:
→ 쓰나미: 해저 지진·화산 폭발·산사태 유발
  수심 감소할수록 높이 증가·파장 감소
  태평양 쓰나미 경보 시스템 (PTWC)
→ 액상화 (Liquefaction): 느슨한 포화 모래→액체처럼 거동
  건물 기울어짐·함몰
→ 한국 지진:
  2016년 경주 지진 (M5.8)·2017년 포항 지진 (M5.4)
  기상청: 지진 조기 경보 시스템 운영

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화산

화산 분출 메커니즘:
→ 마그마 형성:
  감압 용융: 맨틀 상승→압력 감소→용융
  가수 용융: 섭입 판에서 물 방출→용융점 낮춤
  가열 용융: 인접 고온 마그마
→ 마그마 성질:
  SiO2 함량: 높을수록 점성 높음·폭발적
  염기성 (현무암질): SiO2 낮음·유동성·방상 분출
  산성 (유문암질): SiO2 높음·점성·폭발적

화산 분출 지수 (VEI):
→ Volcanic Explosivity Index: 0~8
→ VEI 8: 슈퍼볼케이노 (옐로스톤·토바)
→ VEI 6~7: 역사적 대분화 (피나투보 1991·탐보라 1815)
→ VEI 7 탐보라: 기온 하강 1도 이상→1816 여름 없는 해

화산 유형:
→ 순상 화산 (Shield Volcano):
  낮은 점성 현무암 마그마·완만한 경사
  하와이 마우나 로아·킬라우에아
→ 성층 화산 / 합성 화산 (Stratovolcano):
  교호 용암·화산재 층·가파른 경사
  후지산·세인트 헬렌스·이탈리아 베수비오
→ 칼데라 화산:
  대규모 함몰로 형성된 분지
  옐로스톤·인도네시아 토바
→ 한국:
  백두산 (2,744m): 성층 화산·천지 칼데라
  한라산: 순상+성층 복합·백록담
  울릉도·독도: 해저 화산

화산 분출물:
→ 용암 (Lava): 지표 도달한 마그마
  파호에호에 (새끼줄 용암)·아아 (괴상 용암)
→ 화성쇄설물 (Pyroclastics):
  화산탄·화산력·화산재·경석
→ 화산 가스: 주로 수증기·CO2·SO2·H2S
→ 화쇄류 (Pyroclastic Flow):
  고온 가스+화산 쇄설물 고속 이동
  폼페이 매몰 원인·가장 위험한 화산 현상

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자주 묻는 질문

Q. 판구조론은 어떻게 지진과 화산의 분포를 설명하나요? A. 판구조론은 지진과 화산의 분포가 판 경계에 집중된다는 사실을 명쾌하게 설명합니다. 지진은 세 가지 판 경계 모두에서 발생하지만 유형이 다릅니다. 발산 경계(중앙해령)에서는 얕고 약한 지진이 발생합니다. 수렴 경계(해구)에서는 섭입판을 따라 깊은 진원 지진이 발생하며, 규모도 크습니다. 변환 단층에서는 수평 이동으로 얕고 강한 지진이 발생합니다(산안드레아스 단층). 화산은 주로 두 환경에서 발생합니다. 첫째, 발산 경계와 열점에서 현무암질 마그마가 분출합니다(하와이·아이슬란드). 둘째, 섭입 경계에서 물을 머금은 섭입판이 용융되어 폭발적인 안산암~유문암질 화산이 형성됩니다(환태평양 화산대 ‘불의 고리’). 대륙 충돌 경계(히말라야)는 화산이 없는 것이 특징으로, 두 대륙 지각이 충돌하면 섭입 없이 습곡산맥만 형성됩니다.

Q. 한국은 지진 안전 지대인가요? A. 한국은 판 내부 지역으로 환태평양 지진대와 직접 연결되지 않아 상대적으로 안전하지만 ‘지진 안전 지대’는 아닙니다. 역사 기록에 따르면 신라~조선 시대에도 규모 6 이상의 지진이 여러 차례 발생했습니다. 최근에는 2016년 경주 지진(M5.8)이 한국 계기 지진 관측 사상 최대 규모를 기록했으며, 2017년 포항 지진(M5.4)은 지열발전소 시추와 관련된 유발 지진으로 추정됩니다. 한국의 주요 단층: 양산 단층계(경북 남부), 추가령 단층(서울-원산), 광주 단층(호남) 등이 활성 단층으로 평가됩니다. 대비 측면에서는 2005년 이후 내진 설계 기준이 강화되었지만, 기존 건물의 내진 보강률은 여전히 낮습니다. 특히 포항 지진처럼 유발 지진(심부 지열발전, 대규모 댐)의 위험성이 새롭게 주목받고 있습니다.